CN103389479B - 提高的动态范围传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及提高的动态范围传感器。本公开的一些方面提供了在最小和最大允许的输入量之间具有大范围的传感器***。在一些实施例中，传感器***具有非线性传感器和线性传感器。非线性传感器产生相应于检测的物理输入量的第一非线性信号。线性传感器产生相应于检测的物理输入量的第二线性信号。信号处理器接收第一非线性信号和第二线性信号并且产生对应于检测的物理输入量的复合输出信号。复合输出信号是第一非线性信号和第二线性信号的组合，其提供了具有对小的物理输入量的高灵敏度同时在大的物理输入量下避免了饱和状态的信号。
Description
技术领域
本发明涉及提高的动态范围传感器。
背景技术
现代车辆包括许多传感器。这样的传感器将关于车辆的操作的信息提供给控制单元，所述控制单元可以基于该信息采取行动。例如，如果感测值高于阈值，控制单元可被配置以给使用者提供关于感测信息的数据或者产生引起致动器执行动作的控制信号（例如以展开气囊）。
传感器可包括线性传感器或非线性传感器。线性传感器提供被检测到的物理输入量的基本线性函数的输出信号（即，，其中a和b与Qin无关）。非线性传感器提供不是被检测到的物理输入量的线性函数的输出信号（即，）。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供了一种配置成感测磁场的传感器***，包括：
第一梯度计，其被配置成产生相应于物理输入量的第一信号，其中第一梯度计在物理输入量的第一幅度进入饱和状态；
第二梯度计，其被配置成产生相应于物理输入量的第二信号，其中第二梯度计在物理输入量的比第一幅度大的第二幅度进入饱和状态；以及
信号处理单元，其被配置成基于第一信号和第二信号产生相应于物理输入量的复合输出信号。
根据本发明的一个实施例，提供了一种传感器***，包括：
非线性传感器，其配置成产生相应于物理输入量的第一非线性信号；
线性传感器，用于产生相应于物理输入量的第二线性信号；和
信号处理单元，其配置成产生相应于物理输入量的复合输出信号，所述复合输出信号是第一非线性信号和第二线性信号的组合。
根据本发明的一个实施例，提供了一种操作传感器***来检测物理输入量的方法，包括：
操作线性传感器以产生相应于物理输入量的第一非线性信号；
操作非线性传感器以产生相应于物理输入量的第二线性信号；并且
产生相应于物理输入量的复合输出信号，所述复合输出信号是第一非线性信号和第二线性信号的组合。
附图说明
图1示出了被配置成检测物理输入量的传感器***的框图。
图2A示出了包括线性传感器和非线性传感器的传感器***的框图。
图2B示出了显示由线性传感器、非线性传感器、及其组合检测的信号的曲线图。
图3A示出了公开的传感器体系结构的示例性布局的一些实施例。
图3B示出了图3A的框图的公开的传感器体系结构的原理图。
图4A-4B示出了公开的传感器***到轮速传感器的应用。
图5A-5C示出了显示当应用到轮速传感器时所公开的传感器体系结构的信号的曲线图。
图6A-6D示出了显示由轮速传感器的不同极尺寸（polesize）/空气隙组合得到的所公开的传感器体系结构的信号的曲线图。
图7是说明检测运动方向的非线性传感器的输出信号的使用的曲线图。
图8示出了用于结合线性和非线性传感器以增加最小和最大允许的输入量之间的范围的方法的流程图。
具体实施方式
此处的描述是参考附图作出的，其中全文中类似的参考数字通常用来指代类似的元件，并且其中各种结构没有必要按比例绘制。在下面的描述中，出于解释目的，阐述了许多特定细节以便便于理解。然而，对于本领域技术人员来说，显然此处描述的一个或多个方面可以采用较小程度的这些特定细节来实施。在其它例子中，已知的结构和器件以框图形式示出以便于理解。
非线性传感器被广泛用在许多感测应用中。这是因为它们的对物理输入量的非线性响应使得它们对物理输入量的小变化高度敏感。然而，在大的物理输入量下，非线性传感器很容易受到饱和状态的影响，所述饱和状态是其中传感器的输出信号不响应于物理输入量的增加而增加的现象。当大的物理输入量驱动非线性传感器进入饱和状态时，它的输出信号不再准确地对应于物理输入量，造成传感器发生故障。
因此，本公开的一些方面提供了在最小和最大输入量之间具有大范围的传感器***。在一些实施例中，传感器***包括非线性传感器和线性传感器。非线性传感器被配置成产生相应于被检测的物理输入量的第一非线性信号。线性传感器被配置成产生相应于被检测的物理输入量的第二线性信号。信号处理器被配置成接收第一非线性信号和第二线性信号并且产生相应于被检测的物理输入量的复合输出信号。复合输出信号包括第一非线性信号和第二线性信号的组合，所述组合提供了对小的物理输入量具有高灵敏度同时在大的物理输入量下避免了饱和状态的信号。
图1示出了传感器***100的框图，所述传感器***被配置成通过产生表示物理输入量的复合输出信号Sout来检测物理输入量。
传感器***100包括第一梯度计102和第二梯度计104。第一和第二梯度计，102和104，被配置成检测物理输入量的空间导数。第一梯度计102具有在物理输入量的第一幅度（例如在5mT）驱动第一梯度计进入饱和状态的响应，而第二梯度计104具有在物理输入量的比第一幅度大得多的第二幅度（例如在15mT）驱动第二梯度计进入饱和状态的响应。在一些实施例中，第一梯度计102包括线性传感器，而第二梯度计104包括非线性传感器。在其它实施例中，第一和第二梯度计102，104可以都包括具有变化的非线性度的非线性传感器。
信号处理器106被配置成接收来自第一梯度计102的第一输出信号S1和来自第二梯度计102的第二输出信号S2。信号处理器106被配置成产生作为第一信号S1和第二信号S2的函数的复合输出信号Sout。通过基于第一信号S1和第二信号S2产生复合输出信号Sout，传感器***100能够在大的物理量范围内提供准确读数。
在各种实施例中，梯度计102，104可包括不同阶梯度计。在一些实施例中，梯度计包括配置成沿着一个方向检测物理量的零阶导数（即，在单个传感器元件的位置处检测的物理量的值）的零阶梯度计。在这样的实施例中，零阶梯度计包括在单个位置处的单个传感器元件。在其它实施例中，梯度计可包括较高阶梯度计，例如被配置成检测所述量的一阶导数（即，在两个位置处检测的物理量的值之间的斜率）的一阶梯度计，被配置成检测二阶导数的二阶梯度计等。较高阶梯度计包括多于一个传感器元件（例如，一阶梯度计包括在两个位置处的两个传感器元件，二阶梯度计包括在三个位置处的三个传感器元件等。
图2A示出了配置成通过产生表示物理输入量的复合输出信号Sout来检测物理输入量的传感器***200的框图。
传感器***200包括对物理输入量具有非线性响应的一个或多个非线性传感器202。非线性响应使得非线性传感器202对物理输入量的小变化高度敏感，而且如果物理输入量超过了特定值则展示明显的饱和状态。非线性传感器202被配置成产生相应于物理输入量的第一非线性信号Snl。
传感器***200进一步包括对物理输入量具有线性响应的一个或多个线性传感器204。线性响应提供了对物理输入量的小变化比非线性传感器202更低的灵敏度。然而，当物理输入量超过特定值时，线性传感器不经历饱和状态。线性传感器204被配置成产生相应于被检测的物理输入量的第二线性信号Slin。将认识到如此处提供的术语“线性传感器”和“线性信号”指代主要地或基本上为线性的传感器/信号（例如，具有主要为线性的响应的传感器）。在一些实施例中，线性传感器和非线性传感器被包括在相同的传感器外壳内（例如，IC管芯，IC封装等）。
信号处理器206被配置成从非线性传感器202接收第一非线性信号Snl并且从线性传感器204接收第二线性信号Slin。在一些实施例中，信号处理器206包括连接到非线性传感器202的输出节点OUTnl的一个或多个非线性输入节点INnl以及连接到线性传感器204的输出节点OUTlin的一个或多个线性输入节点INlin。一个或多个非线性输入节点INnl被配置成接收第一非线性信号Snl，并且一个或多个线性输入节点INlin被配置成接收第二线性信号Slin。信号处理器206被配置产生作为第一非线性信号Snl和第二线性信号Slin的组合的复合输出信号Sout。通过基于第一非线性信号Snl和第二线性信号Slin产生复合输出信号Sout，传感器***200能够在大物理量范围内提供准确读数。
在一些实施例中，复合输出信号Sout包括第一非线性信号Snl和第二线性信号Slin的加权和。在这样的实施例中，第一非线性信号Snl或第二线性信号Slin被乘以权重系数W(例如，Sout=Snl+W*Slin)。权重系数W可被选择以便在其中非线性传感器202提供物理输入量的不准确测量的操作状态下降低第一非线性信号Snl的影响，并且在其中非线性传感器202提供物理输入量的准确测量的操作状态下增加第一非线性信号Snl的影响。因此，所得到的加权和突出了提供较好响应的信号。
在一些实施例中，权重系数W包括固定值。在其它实施例中，当传感器电路与将被测量的量（例如编码器轮）相匹配时，权重系数W包括可分配值，所述可分配值能被编程到片上存储器（例如，EEPROM）中。在这样的实施例中，权重系数可例如通过校准过程被设置。而在其它实施例中，权重系数W包括通过算法确定的动态值，所述算法被配置成在操作期间调整权重因子W。例如，该算法可被配置成当空气隙变化时或者响应于编码器轮内的磁极尺寸、温度或传感器能通过附加电路检测的其它参数等时调整权重系数W。
而且，将认识到在各种实施例中，加权和可被选择成在复合输出信号中突出不同的量。例如，在一些实施例中，加权和可被选择成突出测量信号（例如，Snl或Slin）的幅度。在其它实施例中，加权和可被选择成突出具有更高信噪比（SNR）的信号。例如，在与非线性传感器202相比线性传感器204的SNR差的区域中，加权和被选择成使得复合输出信号Sout的SNR通过第一非线性信号Snl控制。
在各种实施例中，例如由传感器***200检测的物理输入量可包括诸如下述的量：磁场、电场，温度，水分含量，气压，机械应力或应变，可见光（opticallight），或核辐射。在一些实施例中，物理输入量可包括矢量值的物理输入量（即，具有明确取向的物理输入量）。例如，在一些实施例中，矢量值的物理输入量可包括磁场或电场。在一些实施例中，非线性传感器202和线性传感器204被配置成检测矢量值的量的不同分量。例如，非线性传感器202可被配置成沿着第一分量检测矢量值的量并且线性传感器204可被配置成沿着第二正交分量检测矢量值的量。
在其中传感器***200被配置成测量磁场值的实施例中，非线性传感器202可包括一个或多个磁阻器（MR）（例如，各向异性MR，巨型MR，超巨型MR，隧穿MR等），而线性传感器204可包括一个或多个霍尔板。根据使用的非线性传感器的类型，附加的部件可以被用在传感器***200内。例如，对于包括AMR传感器的非线性传感器202，偏置磁铁被附着到传感器管芯或传感器封装。
图2B示出了显示与公开的传感器***相关联的示例性信号的曲线图208。特别地，曲线图208示出了从非线性传感器输出的非线性信号210，从线性传感器输出的线性信号212，和基于非线性和线性信号210和212的加权和的复合输出信号214。
在其中非线性传感器未在饱和状态的操作的第一区域216中，复合输出信号214由非线性信号210的影响控制。这是因为在这样的第一区域216中，非线性传感器的分辨率（响应）比线性传感器的分辨率好，从而允许非线性信号210更好地检测物理输入量。然而，在其中物理输入量大的第二区域218中，非线性传感器处于饱和状态并且线性传感器未处于饱和状态。因此，在第二区域218中，因为线性传感器的响应比非线性传感器好，因此复合输出信号214由线性信号212的影响控制。在其中非线性传感器再次未处于饱和状态的操作的第三区域220中，输出信号214再次由非线性信号210的影响控制。
尽管曲线图208以基于非线性传感器是否处于饱和状态来定义区域的方式被描述，将认识到公开的传感器***不局限于这样的应用。更确切地说，公开的传感器***可被用来形成结合线性和非线性传感器的信号的加权和，以基于可引起一个信号（例如，非线性信号）比另一个（例如，线性信号）更好的任何因子提供更好的输出信号。
图3A示出了说明公开的传感器***300内的传感器元件的位置的示例性布局的一些实施例。传感器***300包括包含霍尔传感器304的线性传感器和包含巨型磁阻（GMR）传感器306的非线性传感器。
霍尔传感器304包括两个霍尔板304a和304b。第一霍尔板304a位于集成芯片管芯302的第一侧并且第二霍尔板304b位于集成芯片管芯302的相反的第二侧。GMR传感器306包括四个巨型磁阻（GMR）电阻器306a-306b，其中两个GMR电阻器306a，306b位于集成芯片管芯302的第一侧并且两个GMR电阻器306c，306d位于集成芯片管芯302的第二侧。GMR传感器306和霍尔传感器304都是一阶梯度计（即，在相对侧具有用来检测差分信号的传感器），使得传感器***300不被均匀的外部磁干扰影响。
在一些实施例中，第一霍尔板304a和第二霍尔板304b沿着水平轴308被对称地布置并且关于垂直轴310对称。两个霍尔板304a和304b被分离了第一间距312。在一些实施例中，第一间距312是在大约0.5mm和2.5mm之间。相似地，GMR电阻器306a和306b和GMR电阻器306c和306d被沿着水平轴308布置并且关于垂直轴310对称。GMR电阻器306a和306b与GMR电阻器306c和306d分离了第二间距314（其中在一侧的两个GMR电阻器的中心位于所述两个GMR电阻器之间的位置处）。在一些实施例中，第二间距314可具有在1mm和3mm之间的值。在一些实施例中，霍尔传感器304和GMR传感器306被包含在相同的集成芯片管芯302上。
在其它实施例中，第一和第二霍尔板304a，304b沿着水平轴308被对称地布置，而GMR电阻器306a-306d沿着垂直轴被对称地布置。在这样的实施例中，GMR电阻器306a-306d将沿着垂直方向相互分离第一间距312，而霍尔板304a，304b将沿着水平方向相互分离第二间距314。
将认识到尽管图3A示出传感器***300包括具有两个霍尔板的霍尔传感器304和包含四个GMR电阻器的GMR传感器，但在其它实施例中，公开的传感器***可包括更多或更少的传感器元件。例如，在一些实施例中，公开的传感器***可包括具有一个霍尔敏感元件和MR元件的单槽（monocell）(即，具有零阶梯度计的绝对场传感器)。
在电学上，GMR电阻器306a-306d被布置成如图3B示出的传感器***的原理图316所示的桥结构。桥结构被连接成使得第一GMR电阻器306a和第四GMR电阻器306c被串联连接并且第二GMR电阻器306b和第三GMR电阻器306d被串联连接。
相应的GMR电阻器306a-306d包括设置在铁磁层之间的非磁导电层（例如，铜）。在没有磁场时，铁磁层中的磁矩沿相反方向面对（由于反铁磁耦合），导致高电阻。施加外部磁场到电阻器克服了反铁磁耦合，使铁磁层中的磁矩对准并且引起器件的电阻改变（例如，通常改变了10到20%）。GMR电阻器306a-306d的电阻改变允许桥结构感测外部磁场。
信号处理器318（例如，数字信号处理器）被配置成从第二和第三GMR电阻器306b，306d之间的点和第一和第四GMR电阻器306a，306c之间的点测量差分输出信号。如果磁场对于四个电阻器是相同的，差分输出信号是零（例如，两个点的每个测量等于供电电压Vs的1/2的电压）。然而，如果在传感器***右侧的磁场比在传感器***左侧的小，由于第一电阻器306a将具有与第三电阻器306d不同的电阻，因此将产生非零差分电压。信号处理器318被进一步配置成检测霍尔板304a和304b的差分信号。
图4A示出了磁传感器结构400的一些实施例的顶视图。磁传感器结构400包括被配置成检测用于转速测量的有源靶轮408的磁场的磁传感器***402。尽管公开的磁传感器***402关于有源靶轮被描述，本领域普通技术人员将认识到公开的传感器***可替代地结合无源靶轮被使用。
磁传感器***402沿着x/y平面被放置在有源靶轮408的表面上。如下面描述的，磁传感器***402包括霍尔传感器404和GMR传感器406。霍尔传感器404包括位于磁传感器***402的第一侧的第一霍尔板404a和位于磁传感器***402的相对的第二侧的第二霍尔板404b。GMR传感器406包括位于磁传感器***402的第一侧的GMR电阻器406a，406b和位于磁传感器***402的第二侧的GMR电阻器406c，406d。
有源靶轮408包括多个跨越有源靶轮408的周界的交替磁极408a，408b，…，408n。相邻的极具有相反的磁方向，使得北极（N）定位成与南极（S）相邻。
在操作期间，磁北极（N）和南极（S）的交替序列在切线方向上移动，使得磁传感器***402在交替的N和S极上方移动。当磁传感器***402沿着有源靶轮移动时，霍尔传感器404和GMR传感器406测量在具有第一方向（例如，N）的场和具有第二方向（例如，S）的场之间交替的磁场。
测量的磁场被输出作为霍尔板输出信号SHALL和GMR输出信号SGMR。输出信号，SHALL和SGMR，被提供到信号处理器412。信号处理器412被配置成产生包括GMR和霍尔板输出信号SHALL和SGMR的组合的复合输出信号Sout。复合输出信号Sout可以基于磁极的计数用来确定转速测量。
在一些实施例中，霍尔传感器404包括被配置成检测与霍尔板垂直的磁场的横向霍尔板。在这样的实施例中，横向霍尔板被配置成检测与通过GMR传感器406检测的磁场成90o反相的磁场。在其它实施例中，霍尔传感器404包括被配置成检测与板（即，运动的方向）垂直的磁场的垂直霍尔板。在这样的实施例中，垂直霍尔板和GMR传感器406产生同相信号并且两者的加权和具有比纯GMR信号更陡的零交叉。而且，这允许垂直霍尔板能沿与GMR传感器406相同的方向检测磁场。
图4B示出了磁传感器***402和有源靶轮408的截面图414。
有源靶轮408包括多个磁极，每个在运动方向上具有尺寸418。磁传感器***402通过空气隙416与有源靶轮408分离，所述空气隙等于从承载传感器元件的基板的表面到靶轮408内的磁极408a，408b等的表面的距离。
霍尔板，404a和404b，彼此分离了第一中心到中心距离402，而GMR电阻器，406a和406b，彼此分离了第二中心到中心距离422。在一些实施例中，第一和第二距离，420和422，是不同的。在一些实施例中，第一和第二距离，420和422，是相同的。
当磁极408a，408b等的尺寸相对于磁传感器***402的尺寸（其是尺寸限制的）增加时，GMR传感器406和霍尔传感器404的右和左侧将在相同时间期间经历均匀磁场424。例如，当在磁传感器***402的相对侧的GMR电阻器之间的间距大致等于有源靶轮408的磁极（例如，408a）的尺寸时，GMR桥结构的右侧检测与GMR桥结构的左侧具有相同极性的极。当空气隙416也小时，磁场424将对于特定的位置范围驱动相对的GMR传感器，406a和406b，进入饱和状态。在所述位置范围中，磁场在GMR桥的两个分支中抵消，致使GMR传感器406输出具有近零幅度的信号。在所述位置范围上，GMR信号不改变而是具有保持在大约零处的小斜率（即，具有平坦的零交叉）。因为零交叉时间可例如被噪声破坏，所以所述小斜率使得难以检测零交叉时间。
例如，图5A示出了显示非线性GMR传感器502的输出信号的曲线图500，所述非线性GMR传感器具有以桥结构（例如，如图3B所示）连接的四个GMR电阻器。曲线图500的水平轴对应于非线性GMR的重力中心相对于有源靶轮的周边的位置。对于曲线图500，假定非线性GMR传感器被配置成为在运动方向上4mm长的有源靶轮的极检测磁场。非线性GMR传感器与有源靶轮分离了0.5mm的空气隙并且具有在运动方向上相互间隔开1.9mm的GMR电阻器。
小的空气隙在GMR电阻器上提供大磁场，所述大磁场驱动非线性GMR传感器502的输出信号进入正或负饱和状态。而且，相对于GMR电阻器的间距，所述极的大尺寸致使桥的四个GMR电阻器在宽位置范围上感测相同的磁极极性。通过在宽位置范围上感测相同的磁极极性，即使极轮在该位置范围内运动，桥的差分输出电压也具有基本上为零的值。当信号穿过零点时（即，当传感器***在极之间穿过时），这在给出不准确切换的位置范围上产生小斜率的区域（例如，平坦交叉）。
然而，由于霍尔板没有经历饱和状态，所以公开的传感器***的霍尔板允许小斜率的这些区域将被避免。换句话说，通过将霍尔传感器的信号加到GMR传感器的输出信号，当其穿过零点时，所得到的复合输出信号具有斜率（即，小斜率的区域被避免了）。
例如，图5B示出了显示非线性GMR传感器506的输出信号被加到线性霍尔传感器508的输出信号以形成复合输出信号510的曲线图504。输出信号被示出了一个周期（即，当传感器***在编码器轮的一个北极和一个南极上移动时产生的输出信号），使得所述范围沿着两倍于极的尺寸的距离延伸。
使用被配置成对于在运动方向上3mm长的有源靶轮的极检测磁场的传感器检测输出信号。传感器与有源靶轮分离了1mm的空气隙。非线性GMR传感器具有在运动方向上相互间隔开1.9mm的GMR电阻器并且霍尔传感器具有在运动方向上相互间隔开1.3mm的霍尔板。
如曲线图504中所示，由于GMR电阻器经历了饱和状态，GMR传感器506的输出信号具有非正弦信号。因为霍尔传感器508的输出信号没有被饱和效应限幅（clipped），霍尔传感器508的输出信号是正弦的并且在幅度上几乎与GMR传感器506的输出信号一样大。所得到的复合输出信号510具有穿过零交叉的陡斜率。
当磁极的尺寸减小以变得与GMR传感器的间距几乎相同时，传感器***的零交叉被消除。所得到的复合输出信号没被霍尔板退化。例如，图5C示出了显示非线性GMR传感器514的输出信号被加到线性霍尔传感器516的输出信号以形成复合输出信号518的曲线图512。使用传感器检测输出信号，所述传感器与有源靶轮分离了1mm的空气隙并且被配置成检测在运动方向上2mm长的有源靶轮的极的磁场。GMR传感器具有在运动方向上间隔1.9mm并且在运动方向上与霍尔板的间距为1.3mm的GMR电阻器。由于霍尔传感器516的输出信号，尽管GMR传感器514的输出信号的平坦的零交叉，复合输出信号518具有具有高切换准确性的陡零交叉。
将认识到公开的传感器***被配置成在宽的操作状态范围上提供准确读数（例如，空气隙和极尺寸）。例如，图6A-6D示出了显示将公开的传感器***应用到在1mm和16mm之间的空气隙和在5和8mm之间长的极尺寸的仿真。仿真示出了在一个周期内x轴上的传感器（相对于靶轮）的位置和y轴上的信号的幅度。
图6A示出了显示非线性GMR传感器602的输出信号被加到线性霍尔传感器604的输出信号以形成复合输出信号606的曲线图600。使用传感器检测输出信号，所述传感器被配置成检测在运动方向上5mm长的有源靶轮的极的磁场。传感器与有源靶轮分离了1mm的空气隙并且具有在运动方向上间隔1.9mm并且在运动方向上与霍尔板的间距为1.3mm的GMR电阻器。如在曲线图600中所示的，GMR传感器602的输出信号具有非常平坦的零交叉，而复合输出信号606具有非常陡的零交叉。
图6B示出了显示非线性GMR传感器610的输出信号被加到线性霍尔传感器612的输出信号以形成复合输出信号614的曲线图608。使用传感器检测输出信号，所述传感器被配置成检测在运动方向上8mm长的有源靶轮的极的磁场。传感器与有源靶轮分离了1mm的空气隙并且具有在运动方向上间隔1.9mm并且在运动方向上与霍尔板的间距为1.3mm的GMR电阻器。如曲线图608中所示的，复合输出信号614的下降“接触”零线，造成传感器***发生故障。
然而，将空气隙从1mm增加到2mm使得传感器***再次正常工作。例如，图6C示出显示非线性GMR传感器618的输出信号被加到线性霍尔传感器620的输出信号以形成复合输出信号622的曲线图616。使用传感器检测输出信号，所述传感器被配置成检测在运动方向上8mm长的有源靶轮的极的磁场。传感器与有源靶轮分离了2mm的空气隙并且具有在运动方向上间隔1.9mm并且在运动方向上与霍尔板的间距为1.3mm的GMR电阻器。如曲线图616中所示的，传感器***具有复合输出信号622，所述复合输出信号再次具有穿过零点的陡交叉。因此，靶轮的8mm极能被传感器***通过将空气隙从1mm增加到2mm来检测。
图6D示出了显示非线性GMR传感器626的输出信号被加到线性霍尔传感器628的输出信号以形成复合输出信号630的曲线图624。使用传感器检测输出信号，所述传感器被配置成检测在运动方向上8mm长的有源靶轮的极的磁场。传感器与有源靶轮分离了16mm的空气隙并且具有在运动方向上间隔1.9mm并且在运动方向上与霍尔板的间距为1.3mm的GMR电阻器。
如曲线图624中所示的，因为GMR传感器的磁灵敏度比霍尔传感器大，与GMR传感器626的输出信号相比，霍尔传感器628的输出信号小。因此，复合输出信号630相对GMR传感器626的输出信号被略微相位偏移。而且，复合输出信号630的信号幅度没被霍尔传感器628的输出信号退化（例如，权重系数w被选择成使得来自霍尔板的噪声不干扰复合输出信号）。
在一些实施例中，公开的传感器***被配置成检测车辆运动的方向（例如，从左到右或从右到左）。图7是说明使用非线性传感器响应检测车辆运动方向的曲线图700。
在这样的实施例中，信号处理单元被配置成比较线性传感器的输出信号和传感器***的复合输出信号并且确定表示运动方向的信号之间的关系。例如，信号处理单元可确定在每个零交叉处的霍尔传感器的输出信号（例如，SHall）的符号。霍尔传感器的输出信号的符号与通过传感器***提供的复合输出信号（例如，Sout）相比较。如果霍尔传感器的输出信号SHall在复合输出信号Sout的上升沿零交叉处为正或者如果霍尔传感器的输出信号SHall在复合输出信号Sout的下降沿零交叉处为负，则运动的方向是顺时针的。替代地，如果霍尔传感器的输出信号SHall在复合输出信号Sout的下降沿零交叉处为正或者如果霍尔传感器的输出信号SHall在复合输出信号Sout的上升沿零交叉处为负，则运动的方向是逆时针的。
例如，如曲线图700中所示的，在第一时间t1，因为在复合输出信号704的上升沿零交叉处霍尔传感器702的输出信号是负的，所以运动的方向是逆时针的。替代地，如果在复合输出信号704的上升沿处霍尔传感器702的输出信号是正的，那么运动的方向将是顺时针的。在第二时间t2，因为在复合输出信号704的下降沿零交叉处霍尔传感器702的输出信号是正的，所以运动的方向是逆时针的。替代地，如果在复合输出信号704的下降沿处霍尔传感器702的输出信号是负的，那么运动的方向将是顺时针的。
图8示出了用于结合线性和饱和状态传感器以增加最小和最大允许的输入量之间的范围的方法800的流程图。
将认识到虽然方法800被示出和描述为一系列动作或事件，但这样的动作或事件的所示排序不应以限制性的意义来解释。例如，一些动作可以不同的顺序发生和/或与除了在此示出和/或描述的那些之外的其他动作或事件同时地发生。另外，不是所有的所示动作可被需要来实现此处公开的一个或多个方面或实施例。并且，此处描述的动作中的一个或多个可在一个或多个分离动作和/或阶段中被执行。此外，公开的方法可被实现成装置、或者使用标准编程和/或工程技术制作软件、固件、硬件或其任何组合以控制计算机来实现公开的主题的制造品。
在802，非线性传感器***作以产生相应于检测到的物理输入量的第一非线性信号。非线性传感器对物理输入量具有非线性响应。在一些实施例中，非线性传感器包括具有多个GMR电阻器的GMR传感器。
在804，线性传感器***作以产生相应于检测到的物理输入量的第二线性信号。线性传感器对物理输入量具有线性响应。在一些实施例中，线性传感器包括一个或多个霍尔板，所述霍尔板可使用自旋电流方法***作以便保持偏移误差为低和稳定并且也抵消了1/f噪声。
在806，复合输出信号由第一和第二信号的组合形成。复合输出信号包括第一非线性信号和第二线性信号的组合，其提供对小的物理输入量具有高度灵敏度而在大的物理输入量下避免了饱和状态的信号。在一些实施例中，复合输出信号包括第一线性信号和第二非线性信号的加权和。
将认识到本领域技术人员基于对说明书和附图的阅读和/或理解，可能想到等同的改变和/或修改。此处的公开包括所有这样的修改和改变并且通常不旨在受限于此。例如，尽管此处被提供的各图被说明和描述为具有特定的掺杂类型，但本领域技术人员将认识到替代的掺杂类型可被使用，如由本领域普通技术人员将认识到的。
另外，虽然可能已经关于几个实施方式中的仅一个公开了特定特征或方面，但是这样的特征或方面可与如可能想要的其它实施方式的一个或多个其它特征和/或方面结合。此外，就此处使用术语“包含”，“具有”，“具备”，“含有”和/或其变型来说，这样的术语旨在在意思上是一切包括在内的—比如“包括”。而且，“示例性”仅仅意味着表示例子，而不是最佳的。还将认识到为了简化和易于理解的目的此处描述的特征、层和/或元件以特定的尺寸和/或取向相对于彼此来被示出，并且实际的尺寸和/或取向可与此处示出的尺寸和/或取向显著不同。
Claims (20)
1.一种配置成感测磁场的传感器***，包括：
第一梯度计，其被配置成产生相应于物理输入量的第一信号，其中第一梯度计在物理输入量的第一幅度进入饱和状态；
第二梯度计，其被配置成产生相应于物理输入量的第二信号，其中第二梯度计在物理输入量的比第一幅度大的第二幅度进入饱和状态；以及
信号处理单元，其被配置成基于第一信号和第二信号产生相应于物理输入量的复合输出信号。
2.权利要求1的传感器***，其中第一信号在第一区域内具有基本平坦的斜率，在所述第一区域第一信号穿过零幅度，并且其中当复合输出信号通过第一区域时复合输出信号具有陡斜率。
3.权利要求2的传感器***，其中第一梯度计包括位于集成芯片管芯的第一侧的第一霍尔板和位于集成芯片管芯的相对的第二侧的第二霍尔板。
4.权利要求3的传感器***，
其中第二梯度计包括位于集成芯片管芯的第一侧的第一和第三GMR电阻器和位于集成芯片管芯的第二侧的第二和第四GMR电阻器；并且
其中第一，第二，第三和第四GMR电阻器以桥结构电连接。
5.权利要求1的传感器***，
其中复合输出信号包括第一信号加上权重系数乘以第二信号的乘积，
其中权重系数通过配置成在传感器***的操作期间调整权重系数的算法来确定。
6.一种传感器***，包括：
非线性传感器，其配置成产生相应于物理输入量的第一非线性信号；
线性传感器，用于产生相应于物理输入量的第二线性信号；和
信号处理单元，其配置成产生相应于物理输入量的复合输出信号，所述复合输出信号是第一非线性信号和第二线性信号的组合。
7.权利要求6的传感器***，其中物理输入量包括磁场、电场、温度、水分含量、气压、机械应力或应变、可见光、或核辐射。
8.权利要求6的传感器***，其中复合输出信号包括第一非线性信号和第二线性信号的加权和。
9.权利要求6的传感器***，其中物理输入量包括矢量值的物理输入量。
10.权利要求9的传感器***，其中线性传感器被配置成检测矢量值的物理输入量的第一分量并且非线性传感器被配置成检测矢量值的物理输入量的与第一分量正交的第二分量。
11.权利要求9的传感器***，其中线性传感器被配置成检测矢量值的物理输入量的第一分量并且其中非线性传感器被配置成检测矢量值的物理输入量的与第一分量平行的第二分量。
12.权利要求6的传感器***，其中线性传感器包括具有一个或多个霍尔板的霍尔传感器。
13.权利要求12的传感器***，其中非线性传感器包括包含多个巨型磁阻电阻器的巨型磁阻传感器。
14.权利要求6的传感器***，其中信号处理单元被配置成通过比较线性传感器的输出信号和复合输出信号来确定运动的方向。
15.一种操作传感器***来检测物理输入量的方法，包括：
操作线性传感器以产生相应于物理输入量的第一非线性信号；
操作非线性传感器以产生相应于物理输入量的第二线性信号；并且
产生相应于物理输入量的复合输出信号，所述复合输出信号是第一非线性信号和第二线性信号的组合。
16.权利要求15的方法，其中物理输入量包括磁场、电场、温度、水份含量、气压、机械应力或应变、可见光、或核辐射。
17.权利要求15的方法，其中复合输出信号包括第一非线性信号和第二线性信号的加权和。
18.权利要求17的方法，
其中复合输出信号包括第一非线性信号加上权重系数乘以第二线性信号的乘积，
其中权重系数通过配置成在传感器***的操作期间调整权重系数的算法来确定。
19.权利要求15的方法，其中物理输入量包括矢量值的物理量。
20.权利要求15的方法，进一步包括：
通过比较第二线性信号和复合输出信号来确定运动的方向。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160113 |